指向核心素養(yǎng)的初中物理“實驗創(chuàng)新”實踐與思考

陳雯歆

摘 要：本文基于教學(xué)背景分析，結(jié)合實驗創(chuàng)新教具組的創(chuàng)新實驗，將“壓力”概念的核心素養(yǎng)目標(biāo)設(shè)定為具體的任務(wù)、情境、問題和活動，并就“實驗創(chuàng)新”教具組在教學(xué)中的使用提出建議，力圖幫助學(xué)生建構(gòu)物理概念，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識.

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);實驗創(chuàng)新;復(fù)習(xí)課;壓力

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）12-0043-03

1 案例背景

1.1 教材分析

滬科版物理教材八年級全一冊中“壓力”一節(jié)，從壓力的產(chǎn)生原因以及力的三要素幾個方面來對比并區(qū)別壓力與重力，為壓強(qiáng)的教學(xué)掃除知識障礙.教材指出：“當(dāng)物體靜置在水平面上且無其他外力作用時，它所受的重力與施加于另一物體的壓力大小相等.”在實際課堂教學(xué)中，教師如果不經(jīng)歷實驗探究直接告知學(xué)生壓強(qiáng)概念，將導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)留于表面，部分學(xué)生不加思索地將裝有物體的固體容器對水平面的壓力大小與容器自身受到的重力大小畫等號，不利于學(xué)生形成物理規(guī)律有適用條件的意識.由于《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》對“相互作用力的大小”并無具體要求，所以若僅從二力平衡條件及牛頓第三定律對物體進(jìn)行受力分析，將會增加學(xué)生的學(xué)習(xí)障礙.

1.2 學(xué)情分析

經(jīng)歷了疫情期間的線上教學(xué)，在線下復(fù)課后展開的問卷調(diào)查與訪談中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生對于“壓力”這一物理概念的建立是欠缺的.對于壓力，學(xué)生無法將施力物體和受力物體區(qū)分開來，學(xué)生作圖時經(jīng)常將壓力的作用點(diǎn)誤畫在施力物體上，壓力的方向錯畫成豎直向下.關(guān)于壓力的大小，學(xué)生易將在不受外力時靜置在水平面上裝有物體的容器對水平面產(chǎn)生的壓力，誤認(rèn)為只有固體容器自身受到的重力.對接觸面不是水平的情況，學(xué)生只有機(jī)械記憶，腦海里缺少對應(yīng)情況圖式，難以正確地完成同化，仍認(rèn)為壓力大小即重力大小.但液體具有流動性，容器側(cè)壁對其也存在力的作用，所以，液體對容器底部產(chǎn)生壓力的大小與容器的形狀有關(guān)，并不一定就等于液體受到的重力大小.這與學(xué)生原有的經(jīng)驗沖突，學(xué)生產(chǎn)生認(rèn)知沖突.

為了在復(fù)習(xí)課上學(xué)生能夠完成對前概念的重組，提高元認(rèn)知，起到溫故知新的作用，教師在復(fù)習(xí)課上應(yīng)合理地設(shè)計、組織教學(xué)內(nèi)容，使得學(xué)生主動參與知識的再建構(gòu)過程，使所學(xué)的知識系統(tǒng)化、脈絡(luò)化、網(wǎng)格化.所以，筆者站在單元整體的視角下，帶領(lǐng)學(xué)生通過創(chuàng)新實驗對壓力展開一場教與學(xué)的活動.

2 “實驗創(chuàng)新”的設(shè)計、制作與教學(xué)實施

2.1 創(chuàng)新教具組的設(shè)計與制作

教具1（如圖1所示）需要木板、鐵條、重物、貼紙、釘子和重垂線.

教具2（如圖2所示）需要計算機(jī)、拉（壓）力傳感器、數(shù)據(jù)采集器、朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室（DISLab8.0）、角度盤、旋轉(zhuǎn)桿、細(xì)繩、透明容器和3個200g的重物、兩個強(qiáng)磁鐵.

教具3（如圖3所示）需要電子秤、透明塑料袋、可變形狀的透明容器、夾子和紅墨水.

2.2 指向核心素養(yǎng)的“實驗創(chuàng)新”教學(xué)實踐

任務(wù)一：壓力的產(chǎn)生原因、作用點(diǎn)與方向（見表1）.

基于“實驗創(chuàng)新”的教學(xué)建議：

基于學(xué)生已有的“力的作用效果”這一知識背景，教具1利用長鐵條受到壓力時產(chǎn)生形變，明確壓力的受力物體，同時說明壓力屬于彈力.學(xué)生還易將壓力的方向誤以為和重力方向一致，誤認(rèn)為壓力的方向也總是豎直向下.因此，教具1利用重垂線明確重力的方向，使之與長鐵條發(fā)生形變的方向進(jìn)行對比.從水平開始緩慢改變接觸面傾斜程度，可同時觀察到兩者方向、對比壓力與重力方向，幫助學(xué)生突破壓力的方向與重力方向不同這一難點(diǎn)，讓學(xué)生認(rèn)識到壓力的方向并非總是豎直向下，而是垂直于接觸面指向受力物體.

任務(wù)二：壓力的大?。ㄒ姳?）.

活動：根據(jù)自身計算結(jié)果進(jìn)行判斷，提出“液體對底部產(chǎn)生的壓力不一定等于液體所受重力大小”等觀點(diǎn).

活動：利用教具3改變?nèi)萜鞯男螤钸M(jìn)行實驗探究，并結(jié)合液體壓強(qiáng)、物體的受力多角度進(jìn)行理論分析，尋找本質(zhì)原因

物理觀念：知道電子秤測量原理.了解對于固體，水平面上在無外力作用時，物體對接觸面的壓力大小等于物體的總重.而對液體，液體對水平的容器底部產(chǎn)生的壓力大小與液體受到的重力不一定相等.當(dāng)盛裝液體的容器是柱狀的時候，F(xiàn)=G;當(dāng)盛裝液體的容器上端橫截面積大于下端時，F(xiàn)G

科學(xué)思維與科學(xué)探究：在活動中引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)并提出一系列問題.能依據(jù)已有的壓力作用下鐵條形變的模型和規(guī)律，進(jìn)行合理推理，支持其觀點(diǎn)或反駁相異觀點(diǎn).能設(shè)計并完成實驗來得出結(jié)論.還能運(yùn)用液體壓強(qiáng)與壓力的關(guān)系進(jìn)行計算分析，也能運(yùn)用二力平衡知識對液體進(jìn)行受力分析，來解釋論證液體對水平的容器底部產(chǎn)生的壓力大小與液體自身的重不一定相等的原因.針對研究成果進(jìn)行整理歸納與反思，總結(jié)出關(guān)于液體壓力壓強(qiáng)與固體壓力壓強(qiáng)這一類計算題的解題程序

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：養(yǎng)成主動積極嘗試解決問題習(xí)慣，經(jīng)歷科學(xué)模型不斷修正的過程，得出“水平面上在無外力作用時，固體對接觸面的壓力大小等于物體總重”的結(jié)論，形成尊重事實、敢于質(zhì)疑、善于反思、勇于創(chuàng)新的科學(xué)態(tài)度

基于“實驗創(chuàng)新”的教學(xué)建議：

教具2借助朗威數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗室，使壓力的大小可視化，從大量的定量實驗得到普遍規(guī)律，既遵循初中生的認(rèn)知特點(diǎn)，又達(dá)到促進(jìn)學(xué)生對復(fù)雜概念理解的目的.

針對這一問題，教具2將研究對象換成固體容器，通過在容器中裝入其他物質(zhì)，讓學(xué)生了解到該容器對水平面的壓力是容器及容器內(nèi)物體受到的總重力.該教具可以在不改變施力物體重力大小的情況下，通過改變斜面的傾斜程度，定量測量壓力的大小.通過與施力物體的重力大小進(jìn)行對比，幫助學(xué)生辨析清楚壓力與重力的關(guān)系.而對于有外力作用時，固體對水平面產(chǎn)生的壓力情況學(xué)生沒有深入地探索，新內(nèi)容被錯誤地同化.該教具在不改變施力物體重力大小的情況下，增加磁力來研究此時壓力和重力之間的關(guān)系.逆向論證壓力等于重力的條件是物體靜置在水平面上且無其他豎直方向上的外力（或外力分力）作用.

教具3設(shè)計了形狀可變的容器用于盛裝液體，在容器底部放置電子秤來測量液體對底部的壓力.通過實驗發(fā)現(xiàn)液體對容器底部的壓力不一定等于液體自身的重力，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的求知欲，再結(jié)合液體壓強(qiáng)、物體的受力多角度進(jìn)行理論分析，幫助學(xué)生有效完成順應(yīng).

3 基于初中物理“實驗創(chuàng)新”實踐的思考

3.1 以生為本，“認(rèn)知沖突”觸發(fā)深度思考

復(fù)習(xí)課側(cè)重幫助學(xué)生整合構(gòu)建知識體系，力求在原有知識的基礎(chǔ)上，將每一個概念建構(gòu)完整.所以，學(xué)生的認(rèn)知水平是復(fù)習(xí)課的出發(fā)點(diǎn)和備課基礎(chǔ).課前可以通過問卷調(diào)查、訪問等方式進(jìn)行調(diào)查，利用大數(shù)據(jù)精準(zhǔn)確定復(fù)習(xí)課的教學(xué)內(nèi)容與側(cè)重點(diǎn).針對學(xué)生的思維誤區(qū)進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，創(chuàng)設(shè)能夠引發(fā)學(xué)生認(rèn)知沖突的情境，使他們產(chǎn)生困惑，觸發(fā)深度思考.

3.2 循循善誘，“真問題”深化物理概念

物理觀念的形成和發(fā)展需要通過物理概念、物理規(guī)律等系統(tǒng)的反思和遷移應(yīng)用，使其學(xué)會用這些觀念解釋自然現(xiàn)象，解決生產(chǎn)生活中的實際問題.精心設(shè)計問題串，避免學(xué)生面對開放性過大的問題思維過于發(fā)散而導(dǎo)致教學(xué)主題偏離，也避免學(xué)生不加思考機(jī)械回答“是不是”“對不對”之類的問題使學(xué)習(xí)流于淺層.明確問題的指向性，通過設(shè)問、反問、追問層層遞進(jìn)，結(jié)合實驗觀察和理論分析讓學(xué)生知其然，更知其所以然.提高問題的視域，找尋到概念與概念之間的關(guān)系，明確其中的物理規(guī)律，連點(diǎn)成線，由線織網(wǎng)，幫助學(xué)生繪制出完整的思維導(dǎo)圖，使深度學(xué)習(xí)發(fā)生，提高復(fù)習(xí)課的有效性.

3.3 技術(shù)融合，“真活動”培養(yǎng)創(chuàng)新意識

融合現(xiàn)代信息技術(shù)的“實驗創(chuàng)新”教具在教學(xué)中的指向性更強(qiáng)，更能突出重點(diǎn)、突破難點(diǎn)，同時，提高學(xué)生看表識圖的能力，彰顯信息素養(yǎng)上的優(yōu)越性，可作為傳統(tǒng)實驗教具的補(bǔ)充.為了節(jié)約課堂時間、提高課堂效益，創(chuàng)新教具中機(jī)械操作的部分可以由教師完成，但教師必須在“實驗創(chuàng)新”的設(shè)計上應(yīng)起引領(lǐng)作用，而不是全權(quán)負(fù)責(zé).因此，保留教具的核心設(shè)計環(huán)節(jié)，用于調(diào)動學(xué)生積極參與，動腦設(shè)計、動手制作.同時，課堂中要預(yù)留充足的時間給學(xué)生交流，充分發(fā)揮學(xué)生自評和互評的作用，讓他們在交流中碰撞思維的火花，培養(yǎng)創(chuàng)新、創(chuàng)造的意識.

對于“研究受外力作用的固體對水平面產(chǎn)生的壓力”，學(xué)生根據(jù)所提供的材料設(shè)計出了利用磁鐵的相互作用進(jìn)行探究的方案.而在交流的過程中，學(xué)生認(rèn)為該方案只能定性說明無法定量分析：固體受到外力作用時，它對水平面產(chǎn)生的壓力不一定等于其重力大小.針對這一局限，學(xué)生運(yùn)用滑輪部分的知識，提出了如圖6的新方案.

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

[2]吳昊，朱文軍，陶恒.實踐創(chuàng)新實驗 凸顯科學(xué)精神——以“液體的壓強(qiáng)”實驗教學(xué)設(shè)計為例[J].物理通報，2021（01）：134-136.

[3]曾佑全.創(chuàng)新實驗活動模塊教學(xué)的探討[J].實驗教學(xué)與儀器，2012，29（09）：10-12.

[4]林小英.初中物理創(chuàng)新實驗教學(xué)案例的分析和探討[A]//《中國教育技術(shù)裝備》雜志社.第五屆中國教育技術(shù)裝備論壇獲獎?wù)撐募ㄏ拢C].北京：《中國教育技術(shù)裝備》雜志社，2014：4.

[5]趙艷娟.創(chuàng)新物理實驗教學(xué) 構(gòu)建智慧課堂——以“液體的壓強(qiáng)”一節(jié)為例[J].中學(xué)理科園地，2019，15（04）：23-24.

（收稿日期：2021-03-17）